مطالعه تغييرات جريان‌پذيري و خواص سطحي سامانه فعال باكتري اشريشيا كلي/آب/پلي‌وينيل‌پيروليدن

Study of Viscosity Behavior and Surface Properties of the Active System by Escherichia coli/Water/Polyvinylpyrrolidone

چبررسي رفتار جريان‌هاي حاوي ذرات فعالي همچون باكتري، موضوع جديدي است كه توانايي تعريف در كاربردهاي گسترده را دارد. تحرك محلول باكتري، به‌دليل نيروي هيدروديناميك، نيروي برشي در اطراف سلول ايجاد مي‌كند كه بر رفتار سيال تاثير مي‌گذارد. در اين تحقيق براي بررسي رفتار باكتري اشريشيا كلي در محيط آب/پليمر با استفاده از رئومتر برشي، تغييرات گرانروي محلول بررسي شد. در مطالعه حاضر، با انتخاب غلظت (0/01گرم بر ميلي‌ليتر) و وزن مولكولي مناسب از پلي‌وينيل‌پيروليدن (360كيلودالتون)، فعاليت باكتري اشريشيا كلي در آزمون رئومتري و باسرعت‌هاي برشي مختلف بررسي شد. همچنين، تاثير حضور سه گونه باكتريايي اشريشيا كلي، استوباكتر گزيلينوم و استافيلوكوكوس اورئوس در ميزان تنش بين سطحي سيال، به كمك آزمون ويلهلمي بررسي شد. فعاليت باكتري سبب كاهش گرانروي محلول نسبت به محلول عاري از باكتري مي‌شود. همچنين داده‌هاي گرانروي نسبي محلول در محدوده وسيعي از سرعت‌هاي برشي و در رقت‌هاي مختلف باكتري، تحليل شد؛ آن گونه كه گرانروي نسبي در حالت رقيق و سرعت‌هاي برشي كم (يك‌برثانيه)، كمتر از يك و در سرعت‌هاي برشي بيشتر، افزايش يافته است. در اين پژوهش، به‌منظور تحليل و ارتباط حركت جمعي، كسر حجمي باكتري 0/8 شد. همچنين، اگر چه ميزان كاهش كشش سطحي در سه محلول باكتريايي مقادير متفاوتي نشان دادند، اما روند كاهش تنش سطحي در آنها، مي‌تواند شاهدي بر تاثير فعاليت باكتري بر رفتار جريان‌پذيري سيال باشد. فعاليت باكتري اشريشيا كلي سبب سهولت جريان‌پذيري سيال در محدوده سرعت‌هاي برشي كم مي‌شود. مشاهده گرانروي كاهش يافته در اين ذره فعال مي‌تواند كاربردهاي جديدي را با توجه به كاهش انرژي مورد نياز براي جريان‌پذيري آن تعريف نمايد.

Aims: The study of the behavior of active suspended fluid introduced a new topic for a wide range of applications such as reactors, microfluidic pumps, cultivating surfaces and antibacterial surfaces. The motility of bacterial suspension has generated a shear force (Hydrodynamic interaction) across the cells, which has an effect on the fluid viscosity. In this study, shear rheometer was used to evaluate the viscosity behavior of Escherichia coli (E. coli) in a water/polymer environment as a function of bacteria concentration and shear rate. Materials and Methods: In the experimental study, the activity of E. coli was evaluated by choosing the constant concentration (0.01g/ml) and molecular weight of polyvinylpyrrolidone (360KDa). Also, the surface tensions of E. coli, Acetobacter xylinum, and S. aureus solutions were calculated using Wilhelmy test. Findings: Activity of E. coli suspension results the lower viscosity comparing with the bacteria-free solution. The relative viscosities of the solutions were analyzed in a wide range of shear rates and bacterial concentrations. At a low shear rate up to1S-1, the relative viscosity was found to be less than a unit value (Less than water). Also, due to the collective motility break up to smaller parts at high shear rates, the viscosity increased. The critical volume fraction was defined in determined bacterial concentration (0.8v/v) to analyze the collective movement of bacteria. The interfacial tension was reduced by bacteria presence of three different stain types that confirmed the effect of bacteria activity on the flow behavior. Conclusion: The activity of E. coli bacteria makes it easy for fluid to flow at low shear rates. The viscosity reduction of active particle has a potential to demonstrate a variety of novel applications when a reduced energy level is needed.